紫色土區(qū)草籬根系對其根-土復合體抗剪和抗沖性能的影響

劉梟宏，諶蕓，顏哲豪，唐菡，強嬌嬌，齊越，都藝芝

（西南大學資源環(huán)境學院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715）

紫色土集中于長江中下游地區(qū)，母質(zhì)風化迅速使其成土快但易遭侵蝕，在多降水多丘陵的氣候地質(zhì)背景下，長期不合理的人類活動加劇了水土流失，尤以坡耕地最突出。不科學的農(nóng)耕措施使坡耕地上坡土層稀薄，下坡泥沙沉積，嚴重阻礙了土壤的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1?2］。為此紫色土區(qū)推廣實施了開挖水平溝、構建簡易埂坎、地埂籬（以下簡稱草籬）等措施，其中草籬成效較顯著［3?4］。草籬是指在坡耕地地埂下部的土坎上種植草本植物形成籬笆，有穩(wěn)定埂坎和減少水土流失的作用［5?6］。其根系一方面穿插于土體增強摩擦力［7?8］，另一方面根系分泌物粘結土壤顆粒形成團聚體［9］，達到穩(wěn)定土壤結構的目的。現(xiàn)有針對植物籬根系的研究多集中于其改良土壤結構、固持有機碳［1?3］等功效上，對其提高根?土復合體抗剪/沖性能的作用關注不夠。

根系主要通過其形態(tài)特征、纖維素含量以及抗拉特性來影響根?土復合體的抗剪/沖性能。大量研究表明，根系形態(tài)能表征根系加固土壤的能力，與根?土復合體的抗剪/沖性能有顯著的相關性［10?11］，根系的纖維素含量則能影響根系的抗拉特性，但少有研究將根系的纖維素含量與根?土復合體的抗剪/沖性能建立聯(lián)系。有研究發(fā)現(xiàn)根系的抗拉特性與根系的抗剪性能有一定的相關性，但大部分是通過重塑土樣的方式研究，不能完全替代原狀土樣，有一定局限性。鮮有文章指出根系抗拉特性對根?土復合體抗沖性能的影響。因此探明根系形態(tài)、纖維素含量、根系抗拉特性與根?土復合體抗剪/沖性能的相關性十分重要。同時，研究表明不同地區(qū)根?土復合體抗剪/沖性能良好的植物種各不相同，如甘肅滑坡區(qū)石榴（Punica granatum）、長江流域的香根草（Vetiveria zizanioides）根?土復合體的抗剪性能較高［12?13］，三峽庫區(qū)扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、喀斯特區(qū)的金銀花（Lonicera japonica）根?土復合體的抗沖性能較高［14?15］。其原因是不同生境、不同植物種類下，根系的形態(tài)與纖維素含量均不同，可見植物種類也是研究不可忽略的因素。紫花苜蓿（Medicago sativa）是紫色土區(qū)常見牧草，有良好的生態(tài)經(jīng)濟效益，但研究發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿固結地埂土壤的作用不及蓑草（Eulaliopsis binata）［4］，該區(qū)固土性能良好的牧草類草籬種有待探尋。拉巴豆（Dolichos lablab）產(chǎn)自熱帶、亞熱帶地區(qū)，有不亞于紫花苜蓿的經(jīng)濟效益，已有研究證明其根系具有良好的固土能力［6］，但在紫色土區(qū)未見拉巴豆根?土復合體抗剪/沖性能的相關研究。

鑒于此，本研究選取紫花苜蓿和拉巴豆在紫色土坡地構建草籬，分析2 種草籬的根系形態(tài)、纖維素含量、抗拉特性和根?土復合體抗剪/沖性能的差異，明確紫色土區(qū)草籬根?土復合體抗剪/沖性能及主要影響因素，為紫色土區(qū)草籬技術的進一步推廣應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1. 1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于重慶市北碚區(qū)西南大學紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測基地，東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，平均海拔約230 m，年均溫約18 ℃，年均降水量約1100 mm，集中在5?9 月，屬亞熱帶季風性氣候，土壤為中性紫色土。選取一完整坡面開展試驗，該坡地為耕地，植被覆蓋率70%，田面坡度約10°，夏季種植紅薯（Ipomoea batatas），冬季種植白菜（Brassica pekinensis），順坡耕作。在該坡面選定立地條件一致的9 條地埂，埂下土坎約為30°，高0. 8 m，土層厚度20～30 cm，植被蓋度較低，自然生草主要是麥冬（Ophiopogon japonicus）和野香草（Elsholtzia cyprianii）。

1. 2 試驗設計及樣品采集

本研究設計對照、紫花苜蓿草籬和拉巴豆草籬各3 條。2019 年3 月初，先清除埂坎雜草，再在土坎上順埂開溝條播，開溝寬0. 1 m、深0. 1 m，長約6 m，共6 行，行間距0. 3 m，均勻地將紫花苜蓿或拉巴豆種子撒入溝中，并覆蓋細土，覆土厚度約1 cm，播種密度分別為0. 029、0. 004 kg·m?2。草籬與田面之間布設有水平溝，減少了草籬與農(nóng)作物對水分養(yǎng)分的競爭。試驗期間及時除草，補種和澆灌。2019 年6 月底，草籬已成形。2019 年7 月上旬進行采樣，采樣條件為雨后放晴3 d 以上。 采樣時，紫花苜蓿和拉巴豆株高分別約為0. 4、0. 6 m，覆蓋度分別達78. 0%、82. 0%。

整株根系采集：紫花苜蓿草籬和拉巴豆草籬各選取10 株標準株，采用完全挖掘法取出根系，連根帶土帶回實驗室，方法參見Baum［16］。

根?土復合體采集：在標準株附近及對照各選取3 個采樣點作為重復，采集抗剪、抗沖根?土復合體樣本，具體方法參見唐菡等［6］。共計36 個抗剪復合體樣本和9 個抗沖復合體樣本。

1. 3 指標測定及計算方法

1. 3. 1 根系形態(tài)指標 在抗剪/沖試驗后，把每個樣點4 個抗剪環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本，1 個抗沖環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本。采用EPSON（PERFECTION C700）根系掃描儀進行灰度掃描，根系分析系統(tǒng)（WinRHIZOPro. 2009）分3 個徑級（0. 02. 0 mm，d 為直徑）測定根長、根表面積、根體積，計算得到復合體的根長密度、根表面積密度、根體積密度。具體操作步驟參見諶蕓等［17］。

1. 3. 2 根系纖維含量指標 抗剪復合體把每個樣點4 個抗剪環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本；抗沖復合體把每個樣點1 個抗沖環(huán)刀里的所有根系作為1 個樣本，用微量法測定樣本中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量，并計算木纖比，具體方法參見李合生［18］。

1. 3. 3 根系抗拉性能指標 在標準株根系中剪取順直、直徑較均一的根作為抗拉樣本，樣本標距為50 mm，在根兩端纏上醫(yī)用膠帶防脫落。所用微機控制電子萬能試驗機測力范圍為0～5 KN，最小分度值為1×10?5N，夾具型號為DSA502A。因d>2. 0 mm 的根系較少，根系抗拉試驗僅將根系分為2 個大徑級（0

1. 3. 4 抗剪/沖性能指標 抗剪強度用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ 型應變控制式四聯(lián)直剪儀測定，并根據(jù)庫侖定律計算內(nèi)摩擦角（φ）和粘聚力（c）。沖刷試驗過程及抗沖指數(shù)的測定方法參見諶蕓等［17］。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Office Excel 2016 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用IBM SPSS 22. 0 進行數(shù)據(jù)差異性檢驗（One-way ANOVA）和主成分分析。

2 結果與分析

2. 1 復合體中根系形態(tài)及纖維含量特征

2. 1. 1 復合體中根系形態(tài)特征 紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復合體中有超過90% 的根系直徑小于1. 0 mm，且根體積密度（root volume density，RUD），根長密度（root length density，RLD）和根表面積密度（root surface area density，RSAD）大小關系均為：拉巴豆>紫花苜蓿；0. 0

表1 復合體中根系形態(tài)指標Table 1 Whole diameter root parameters of root-soil complex

紫花苜蓿和拉巴豆抗沖復合體中根系總體指標均無顯著差異（P>0. 05），RLD 和RSAD 紫花苜蓿略高，RVD 則拉巴豆較高；除紫花苜蓿復合體RSAD 和RVD 以外，其余指標的優(yōu)勢徑級均為0. 0

2. 1. 2 復合體中根系纖維含量特征 紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復合體中根系木質(zhì)素（lignin）和纖維素（cellulose）含量的大小關系為：拉巴豆>紫花苜蓿，半纖維素（hemicellulose）含量和木纖比（wood fiber ratio）與之相反（圖1A）。拉巴豆復合體根系的木質(zhì)素含量較紫花苜蓿高2. 14%，有顯著差異；紫花苜蓿復合體根系的半纖維素含量顯著高于拉巴豆（P<0. 05）；二者纖維素含量和木纖比無顯著差異（P>0. 05）。

紫花苜蓿和拉巴豆抗沖復合體中木質(zhì)素含量和木纖比的大小關系為：拉巴豆>紫花苜蓿，半纖維素和纖維素含量則為：紫花苜蓿>拉巴豆（圖1B）。復合體根系的木質(zhì)素含量有顯著差異（P<0. 05），具體表現(xiàn)為拉巴豆較紫花苜蓿高9. 41%；紫花苜蓿復合體根系的半纖維素含量顯著高于拉巴豆（P<0. 05）；復合體根系的木纖比差距較大，拉巴豆較紫花苜蓿高出14. 73%。

圖1 復合體中根系纖維含量Fig. 1 Chemical composition contents of root-soil complex

2. 2 根系抗拉特性

紫花苜蓿和拉巴豆根系抗拉試驗總樣本數(shù)為110，成功的樣本數(shù)為84，成功率約為76. 36%，根系直徑范圍分別為0. 22～1. 76 mm、0. 29～1. 78 mm。

極限抗拉力的范圍分別為2. 29～19. 76 N、3. 25～24. 58 N，平均極限抗拉力為拉巴豆（19. 76 N）>紫花苜蓿（14. 32 N）。同一徑級，除徑級Ⅰ以外，拉巴豆根系極限抗拉力均顯著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草籬，除紫花苜蓿徑級Ⅲ和徑級Ⅳ，其余各徑級間極限抗拉力均存在顯著性差異（P<0. 05）。2 種草籬在0. 0紫花苜蓿（26. 66 MPa）。同一徑級，除徑級Ⅳ和Ⅱ以外，拉巴豆的抗拉強度均顯著高于紫花苜蓿（P<0. 05）；同一草籬，各徑級間的抗拉強度均有顯著差異（P<0. 05）。2 種草籬在1. 0

圖2 單根抗拉特性Fig. 2 Root tensile properties

極限抗拉力隨根系直徑的增大而增大，抗拉強度則相反，用冪函數(shù)擬合最佳。其中紫花苜蓿極限抗拉力與直徑的擬合方程F1=11. 25D0.87，R2=0. 41，抗拉強度與直徑的擬合方程T1=20. 22D?0.84，R2=0. 70；拉巴豆極限抗拉力與直徑的擬合方程F2=14. 04D1.03，R2=0. 85，抗拉強度與直徑的擬合方程T2=24. 74D?0.92，R2=0. 60。擬合方程的指數(shù)體現(xiàn)了抗拉特性隨根系直徑變化而改變得快慢程度，拉巴豆均高于紫花苜蓿。擬合方程的系數(shù)反映了根系直徑對抗拉特性的貢獻率，拉巴豆同樣高于紫花苜蓿。從側面反映了拉巴豆根系的抗拉特性優(yōu)于紫花苜蓿。

2. 3 復合體的抗剪/沖性能特征

2. 3. 1 抗剪強度及其指標 草籬復合體抗剪強度及其指標均優(yōu)于對照（CK）（表2）。抗剪強度均隨荷載的增大而增大，同一處理，CK 400 kPa 荷載下的抗剪強度較100 kPa 荷載下增加了2. 32 倍，紫花苜蓿增加了2. 06 倍，拉巴豆則是2. 14 倍；同一荷載下抗剪強度大小關系均為拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），且在荷載100 kPa下，復合體的抗剪強度較CK 的增幅最大，紫花苜蓿和拉巴豆的增幅分別為29. 93% 和36. 32%，紫花苜蓿和拉巴豆分別在荷載200 和400 kPa 下，增幅最小，分別為15. 74% 和28. 67%。

表2 對照土體和草籬根-土復合體的抗剪強度及其指標Table 2 Shear strength of CK and grass hedgerows root-soil complex

內(nèi)摩擦角的大小關系為：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（P<0. 05），均有顯著差異。紫花苜蓿和拉巴豆復合體較CK 的增幅分別為14. 57% 和24. 54%，可見拉巴豆的增幅最大，為紫花苜蓿的1. 68 倍；粘聚力的大小關系為拉巴豆>紫花苜蓿>CK，紫花苜蓿和拉巴豆較CK 的增幅分別為49. 93% 和71. 00%，拉巴豆增幅為紫花苜蓿的1. 42倍，但二者粘聚力無顯著差異（P>0. 05）。綜上，草籬根系能顯著提高復合體的抗剪性能，尤其能改善復合體的粘聚力。

2. 3. 2 抗沖指數(shù)的動態(tài)變化 抗沖指數(shù)的大小關系呈現(xiàn)為：拉巴豆>紫花苜蓿>CK（圖3），紫花苜蓿最大抗沖指數(shù)是CK 的1. 26 倍，拉巴豆則是其2. 60倍。時間點相同時，復合體抗沖指數(shù)最大差值出現(xiàn)在第4 min，達到9. 82 L·g?1，最小差值出現(xiàn)在第1 分鐘，為0. 58 L·g?1；隨著沖刷時間變長，抗沖指數(shù)均快速增長，直至第4 min 達到峰值。拉巴豆復合體的平均增幅（5. 85 L·g?1·min?1）高于紫花苜蓿（2. 77 L·g?1·min?1），前4 min 紫花苜蓿復合體增幅先增后減，拉巴豆復合體增幅逐漸遞增，增幅由4. 18 L·g?1·min?1增至11. 02 L·g?1·min?1。4 min 后抗沖指數(shù)均緩慢下降后趨于平穩(wěn)；抗沖指數(shù)均能和沖刷時間較好地擬合成對數(shù)函數(shù)，擬合方程的R2值為拉巴豆略高于紫花苜蓿。擬合方程系數(shù)為拉巴豆約為紫花苜蓿的2 倍，由此可見拉巴豆復合體的抗沖指數(shù)隨時間增長速度遠高于紫花苜蓿。

圖3 對照土體和草籬根-土復合體抗沖指數(shù)的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of anti-scourability in root-soil complex and CK

2. 4 復合體抗剪/沖性能的主成分分析

為全面地評價2 種草籬根系對復合體抗剪/沖性能的影響，提取最能反映復合體抗剪/沖性能強弱的根系指標，選擇根系形態(tài)特征：根長密度（X1）、根表面積密度（X2）、根體積密度（X3），抗拉特性：極限抗拉力（X4）、抗拉強度（X5）和纖維含量：纖維素（X6）、半纖維素（X7）、木質(zhì)素（X8）進行主成分分析。其中主成分得分（FX）為因子載荷矩陣乘以各指標標準化值的總和，綜合評分（F）為各主成分的方差貢獻率乘以各主成分得分的總和。

2. 4. 1 根系對抗剪性能影響的主成分分析 通過主成分分析發(fā)現(xiàn)第1 主成分貢獻率達63. 212%，第2 主成分貢獻率達21. 275%，累計方差貢獻率達84. 486%，信息損失為15. 514%。特征值均大于1，滿足主成分分析最高信息損失量的標準（表3）。第1 主成分較高荷載的指標為X1、X4、X5、X6、X7，其中X4載荷值最高，X1、X4、X7載荷相近且明顯高于X5和X6。第2 主成分較高荷載的指標僅為X2。X3和X8在2 個主成分中的載荷均較低。可見，最能影響復合體抗剪性能的指標是根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力，其中極限抗拉力影響最大。復合體抗剪性能F=63. 212%F1+21. 275%F2。紫花苜蓿和拉巴豆F1相近，但紫花苜蓿F2為負值，遠小于拉巴豆，使得紫花苜蓿的F 遠小于拉巴豆（表4）。對比F1和F2，發(fā)現(xiàn)2 種草籬復合體抗剪性能F1明顯高于F2，由此可知，第1 主成分對復合體抗剪性能的貢獻較大，紫花苜蓿的根系表面積密度對復合體抗剪性能的影響力要弱于拉巴豆。

表3 主成分分析因子載荷矩陣和方差貢獻率Table 3 The factor load matrix after principal component analysis and the variance contribution rate

表4 復合體抗剪/沖性能主成分得分及綜合評分Table 4 The principal component score and comprehensive score of shear strength and anti-scourability for root-soil complex

2. 4. 2 根系對抗沖性能影響的主成分分析 通過主成分分析發(fā)現(xiàn)第1 主成分貢獻率達52. 583%，第2 主成分貢獻率達21. 138%，第3 主成分貢獻率達17. 137%，累計方差貢獻率達90. 858%，信息損失為9. 142%。特征值均大于1，滿足主成分分析最高信息損失量的標準（表3）。第1 主成分較高荷載的指標為X1、X4、X5、X7，其中X1載荷值最高，X1和X4載荷相近且明顯高于X5和X7。第2 主成分較高荷載的指標僅為X2。第3 主成分較高荷載的指標僅為X6。X3和X8在3 個主成分中的載荷均較低。可見，最能影響復合體抗沖性能的指標是根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力，其中根長密度影響最大。復合體抗沖性能的F=52. 583%F1+21. 138%F2+17. 137%F3。紫花苜蓿F1高于拉巴豆，但紫花苜蓿F2和F3均為負，拉巴豆則為正，使得紫花苜蓿的F 小于拉巴豆（表4）。對比F1、F2和F3，發(fā)現(xiàn)2 種草籬復合體抗沖性能F1均明顯高于F2和F3，由此可知，第1 主成分對復合體抗沖性能的貢獻較大，紫花苜蓿根系表面積密度和纖維素含量對復合體抗沖性能的影響力要弱于拉巴豆。

3 討論

主成分分析表明，根系主要通過根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力來影響根?土復合體的抗剪/沖性能，拉巴豆復合體綜合得分高于紫花苜蓿，有研究得出過相似結論［6］。一方面是本研究草籬種植時間較短，根系多處于0. 0

根系穿插于土體增強摩擦力［7?8］，根系分泌物粘結土壤顆粒改良土壤結構［9］，有利于提高根?土復合體的抗剪/沖性能。本研究紫花苜蓿和拉巴豆的根系均顯著增強了其根?土復合體的抗剪/沖性能，這與周萍等［4］、唐菡等［6］的研究結果相似。2 種草籬復合體抗剪性能各項指標均優(yōu)于對照，尤其是粘聚力，土壤剪切過程中根系與土壤顆粒表面摩擦力及顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力影響內(nèi)摩擦角大小［10］，分泌物與土壤顆粒間膠結作用影響粘聚力大小［23］，所以內(nèi)摩擦角、粘聚力一般隨著根長、根表面積的增大而增大［24］，但二者隨根系指標的增長均有極限值，達到峰值時將不再增長或有減小趨勢。本研究結果與眾多研究結論相似，也有研究結論略有不同。李建興等［25］認為草類根系對土壤內(nèi)摩擦角的提高程度更大。可能的原因是本研究植物種植時間較短，僅4 個月，根系尚處于生命活動的旺盛時期，有較多的分泌物［26］，可以促進土粒間的膠結作用。而李建興等［25］植物種植時間長達2年，根系發(fā)育基本成熟，根系分泌物的減少相對削弱了根系提高土壤粘聚力的能力。本研究得出抗沖指數(shù)和沖刷時間呈對數(shù)正相關，這與諶蕓等［17］的研究結果相似，但與唐菡等［6］和楊玉梅等［27］在黃壤區(qū)的研究結果有一定差異，不同的土壤類型造成的根系生長狀況及根?土復合體結構性差異或是研究結果不同的主要原因。

4 結論

1）紫花苜蓿和拉巴豆抗剪復合體根長密度、根表面積密度、根體積密度大小關系均為：拉巴豆>紫花苜蓿，抗沖復合體中根系形態(tài)指標則無顯著差異，0. 0

2）同一徑級下，根系極限抗拉力和抗拉強度均表現(xiàn)為拉巴豆>紫花苜蓿，2 種草籬在0. 0

3）抗剪強度、內(nèi)摩擦角及粘聚力均表現(xiàn)為拉巴豆>紫花苜蓿>CK，拉巴豆草籬復合體的粘聚力較CK 提高最顯著；拉巴豆復合體抗剪性能的綜合得分高于紫花苜蓿，復合體抗剪性能主要受根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力的影響，其中極限抗拉力影響最大。

4）拉巴豆復合體的抗沖指數(shù)顯著大于紫花苜蓿和CK，抗沖指數(shù)和沖刷時間呈對數(shù)正相關。拉巴豆復合體抗沖性能的綜合得分高于紫花苜蓿，復合體抗沖性能主要受根長密度、半纖維素含量以及極限抗拉力的影響，其中根長密度影響最大。